上硬下软地层盾构隧道开挖面极限支护力分析

极限支护力是保证盾构隧道开挖面稳定性的关键参数.但目前鲜有学者研究上硬下软地层中盾构隧道开挖面极限支护力的现状.本文基于极限平衡法和筒仓理论,假设破坏面为折线,建立了适用于该地层的盾构隧道开挖面极限支护力计算模型,并得到其计算公式;进而对该地层模型进行数值模拟.结果表明,与不考虑地层分层的传统方法相比较,本文方法与数值计算结果更为吻合,证明了当开挖面横跨上硬下软地层时考虑分层的必要性.在此基础上,对埋深、上下土层厚度及土体强度指标等参数对极限支护力的影响进行了分析.结果表明:当上下地层土质不同时,考虑分层与否所得的极限支护力差异较大.因此,上硬下软地层不能等同于均质土层,在工程实践中需予以考虑.     

富水黏土地层盾构隧道开挖面稳定性

富水黏土地层盾构隧道施工过程中,确定合理的开挖面支护力对于安全掘进至关重要。针对富水黏土地层盾构隧道,对不排水条件下的开挖面稳定性展开了研究。通过数值模拟研究,分析了直径D、埋深比C/D与内聚力c对极限支护力的影响规律;推导已有的适用于不排水分析的开挖面主动破坏模式并分析其功率构成,结合黏土不排水离心试验得到破坏区域范围,对极限分析法获得的极限支护力进行了修正。最后,利用理论解析法与数值模拟方法对常州地铁工程某标段区间盾构隧道段进行开挖面稳定性分析,结果表明,理论解析法与数值模拟所得极限支护力相互印证,但理论解析法计算更为便捷。研究结论为富水黏土地层盾构隧道的工程实践提供借鉴与指导。     

岩溶地层运营期地下水上涨引起管片上浮规律研究

岩溶地层溶隙发育,地下水流通性强,盾构隧道施工过程中浆液易流失,导致隧道运营过程中易出现上浮错台等灾害。为了研究岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位变化造成的管片上浮问题,通过数值模拟和现场监测,分析岩溶地层盾构隧道在运营期因地下水位上涨引起管片上浮的规律。结果表明：注浆层隧顶空洞、隧底注浆不密实和地下水位上涨是影响管片上浮的主要因素,其中隧顶空洞对管片上浮影响最大;管片隧顶注浆流失越严重,上部注浆层对管片的约束越小,地下水位上涨造成的管片上浮越明显;管片隧底注浆不密实导致管片底部和注浆层之间粘结力降低,管片上浮量增加;研究给出了管片上浮量与注浆层空洞、注浆不密实和地下水位的对应关系,可为岩溶地层盾构注浆施工质量控制提供借鉴。     

超大直径盾构隧道管片上浮原因与对策分析

超大直径盾构隧道管片的抗浮问题是其普及化的瓶颈.系统总结和分析了管片上浮的原因和机理:包括地质条件、盾构工法特性及施工参数、盾构姿态、覆土厚度、管片接头、施工扰动、注浆工艺和浆液特性等.并就控制超大直径盾构隧道管片上浮提出了具体措施,以期能对超大断面的水底隧道、地铁区间隧道的浅覆土盾构施工起到借鉴作用.     

施工期盾构隧道上浮机理与控制对策分析

从盾构隧道上覆土的最小厚度计算入手,提出因注浆浆液或泥浆、水等液体包裹管片而形成的静态浮力通常不足以使隧道上浮;在分析注浆压力分布模式的基础上,将注浆压力可能产生的动态上浮力与浆液环产生的静态浮力进行了比较,认为因注浆压力产生的动态上浮力是盾构隧道施工中产生上浮的主要原因,进而提出了控制盾构隧道管片上浮的最小上覆土厚度及最大注浆压力计算式,验算结果与实际情况吻合;最后,基于对管片上浮机理的分析,对管片上浮控制提出了一些建议,并提出为防止管片上浮,需依据埋深、周围土体特性、注浆孔在管片环上的位置情况等对注浆压力实施动态控制.     

软土地区浅埋大直径盾构隧道管片上浮规律及预测： 以上海机场联络线工程为例

为探究软土地区浅埋大直径盾构隧道管片上浮规律及其影响因素,本文依托上海机场联络线浅埋大直径盾构隧道工程案例,基于实测数据分析了盾构姿态变化对管片上浮的影响,揭示了管片上浮量与施工参数之间的相关关系,提出了考虑多因素的管片上浮非线性预测方法。研究结果表明,管片上浮主要可分为脱出盾尾前初始偏差及变形、快速上浮（盾尾5环）、缓慢上浮（盾尾5-15环）和沉降等4个阶段;盾构姿态、管片姿态与超挖是影响管片上浮特性的重要因素;管片上浮量与平均推力、盾构仰角、平均推进速度呈正相关,与上下盾尾间隙差呈负相关,采用多元非线性拟合方式可以综合考虑多因素较好地预测管片上浮量。本文相关研究可为大直径盾构隧道施工过程中上浮预测与控制提供参考。     

浅埋透水地层泥水盾构开挖面极限支护压力研究

针对浅埋透水地层的泥水平衡盾构施工的隧道,建立考虑水的渗透作用下泥水盾构开挖面极限支护压力的理论分析模型。同时,基于极限分析理论,推导相应的计算公式,并结合工程实例,通过数值模拟计算分析,验证理论分析的合理性,进而讨论隧道埋深、隧道直径、土体黏聚力、内摩擦角和水深等参数对盾构开挖面极限支护压力的影响。研究结果表明:浅埋透水地层盾构隧道开挖面极限支护压力随着隧道埋深、隧道直径以及水深增大而增大;随着土体黏聚力和内摩擦角增大反而减小。     

盾构穿越软硬复合地层开挖面稳定性分析

盾构穿越复合地层尤其是上软下硬地层时, 开挖面失稳形式多样、受力机理复杂, 由于开挖面失稳而导致的工程灾害时有发生. 依托佛莞城际铁路隧道工程, 构建三维有限元数值模型并引入参数地层复合比对部分楔形体理论进行改进, 分析盾构穿越上软下硬地层时不同地层复合比和软土内摩擦角对开挖面稳定性的影响. 研究结果表明: 盾构开挖面最大变形出现在软土区域中某个特定位置, 与软土比例有关;开挖面位移随着支护压力的减小可分为缓慢增长、急剧增大、失稳破坏三个阶段, 当支护压力比接近极限支护压力比时, 开挖面变形将急剧增大;改进的部分楔形体模型理论解与数值模拟结果相吻合, 该理论具有一定的合理性. 研究成果可为类似地层隧道盾构施工提供一定的理论指导.     

泥质砂岩地层盾构隧道管片连续上浮规律与分析

为了得到施工期盾构隧道管片的连续上浮规律,基于连通器原理设计一套管片竖向位移连续监测装置,依托华东某泥质砂岩地层盾构隧道进行现场实测研究。研究结果表明：管片在脱出盾尾前12 h内呈现出“阶梯状”上浮的规律,即上浮主要发生在盾构掘进期间,而在待机期间管片上浮趋势逐渐减缓,直至停止上浮。最大上浮速率可达0.2 cm/min,主要发生在掘进期间,最大下降速率为0.15 cm/min。管片上浮增量与时间仅呈中等相关或弱相关的关系,而与所处的位置呈强相关或极强相关的关系。掘进期间,上浮增量累计占比为76.9%,是待机期间的3.3倍。     

穿河隧道泥水盾构掘进关键技术控制

本文针对穿河隧道施工特点,从开挖面稳定、盾构始发、隧道防水防渗、盾构机姿态、管片上浮、特殊地质等多方面对穿河隧道泥水盾构机掘进过程中遇到的关键技术问题及难点问题进行归纳分析,并在此基础上提出相应控制措施。     

砂卵石层盾构开挖面失稳分析及双参数掘进控制

为探究砂卵石层盾构施工的开挖面失稳过程和支护力设定方法，针对成都地铁盾构掘进施工超挖失稳实例，开展了三维工程离散元(EDEM)分析，对不同支护力分布形式的极限支护力和开挖面稳定性进行分析。进而结合盾构施工超挖失稳区段的掘进参数，考虑盾构机整体机械性能配置，提出了开挖面稳定性双参数控制建议值。结果表明，开挖面失稳位置与支护力分布形式有关，开挖面处于极限状态时，盾构上方0.75 D(D为隧道直径)范围内产生土拱效应，当支护力逐渐减小至0.1 P₀(P₀为初始静止状态支护力)时，失稳区发展到地面；盾构掘进时应保持土仓适当欠压，并降低刀盘转速，为可能遇到的大粒径漂石和土仓压力控制预留足够的富余扭矩。     

EPB盾构开挖面稳定性的PFC-FLAC耦合分析

基于离散元-有限差分(PFC-FLAC)多尺度耦合分析方法模拟盾构掘进的动态过程,根据开挖面土体颗粒进入土舱的速度状态提出了一种土压平衡(EPB)盾构开挖面稳定性评价方法.通过建立刀盘切削和出渣过程的盾构隧道掘进耦合模型,分析了不同掘进模式和不同地层条件下开挖面的稳定性,并结合实际工程进行验证.结果表明:离散元与有限元耦合方案可以有效地模拟盾构渣土进出舱过程中的细观力学行为;地层因素对掘进模式选择影响较大,砂层或上软下硬地层中保持满舱或3/4舱模式掘进时能更好地控制开挖面稳定;在全断面粉砂地层和上部中砂下部风化岩地层中,开挖面失稳的临界支护压力比分别为0.41与0.29;在恒定排土条件下,掘进速度对开挖面稳定性影响较大.     

基于上限定理的砂卵石地层盾构隧道开挖面稳定性分析

目前对砂卵石地层开挖面稳定理论模型的研究相对较少,施工过程中盾构机支护力的施加多凭借施工经验进行。为研究砂卵石地层开挖面失稳问题,运用极限分析法上限定理,结合椭球体放矿理论,建立盾构隧道开挖面极限分析模型的计算方法,研究开挖面前方土体变形未发展至地表与发展至地的表两种工况,得到了极限支护力的上限解析解。并选取五种典型的理论分析方法验证了计算结果的正确性。结果表明：所提出的对数螺线椭球体机制得到的开挖面极限支护力受地层内摩擦角、隧道直径以及土体重度的影响较大,埋深和黏聚力的影响较小,地表超载的影响最小;其中开挖面极限支护力均随着土体重度和隧道直径的增大而线性增大,随着摩擦角增大呈现非线性减小趋势;通过与旋转破坏机制、3D对数螺线机制、FLAC^3D数值模拟得到的开挖面前方塌落区域的对比,所提出的开挖面前方塌落机制与数值模拟能接近地层的失效形状。     

考虑刀土摩擦的砂土盾构隧道开挖面支护压力计算方法

确定盾构隧道开挖面极限支护压力是隧道工程中的核心问题之一。现有研究一般忽略盾构刀盘与主动极限状态时开挖面前方失稳土体间的摩擦效应,导致计算结果偏保守。为了解决此问题,首先,基于梯形楔形体模型,考虑盾构开挖掌子面与前方被切削土体之间的竖向摩擦力、楔形体与上方土柱之间因相对错动引起的横向摩擦力以及隧道埋深对极限支护压力的影响,推导了砂土地层盾构开挖面的极限支护压力计算公式;其次,通过与其他理论方法及试验结果进行对比,验证了本文方法的合理性;最后,讨论了刀土摩擦力在不同工况下对盾构开挖面极限支护压力的影响规律。研究结果表明：在其他参数不变时,开挖面极限支护压力随着刀土外摩擦角增大而逐渐减小,与刀土外摩擦角近似呈线性关系;刀盘土体间摩擦力对维持盾构开挖面稳定具有有利影响,对开挖面极限支护压力的影响不可忽略;适当增大刀盘与前方土体间的外摩擦角可有效增加开挖面的极限稳定性;刀土摩擦力对浅埋情况的盾构隧道开挖面极限支护压力的影响要明显比深埋情况的影响大,在选择盾构掘进刀具时应重点考虑埋深的影响。     

实施超前注浆管棚支护的隧道开挖面稳定分析

超前注浆管棚支护是一种避免在软土地层或含水地层中盾构隧道开挖面失稳的有效技术．本文同时考虑地下水水位和注浆管棚长度的变化,通过将渗流分析的结果施加到应力分析之中,采用流固耦合数值计算方法得到作用在隧道开挖面的极限支护压力．研究发现,超前注浆管棚支护对高地下水地层中维持开挖面稳定的极限支护压力影响明显,采用该技术后作用在开挖面上的渗透力显著降低     

大断面盾构隧道施工技术问题研究

随着大断面、超大断面盾构隧道的建设,盾构隧道施工过程所暴露出来的问题越来越突出,本文结合南京长江隧道泥水平衡式盾构施工,针对大断面盾构隧道施工中的切口水压、盾构掘进速度、同步注浆等施工参数的设定和衬砌管片上浮问题,分析了各种问题的原因、影响因素、导致的危害,并给出了一些相应的施工措施。     

砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定性理论分析

盾构隧道穿越砂卵石地层掘进施工时,由于砂卵石的地层特性及施工扰动,隧道掌子面容易失稳而引发事故。为研究砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定所需的最小支护力,结合砂卵石地层的掌子面失稳模式,在三维Murayama模型的基础上,将掌子面前方土体的滑动面形式假设为对数螺旋滑移线,结合上部松动区域的破坏机制,引入椭球体放矿理论,对传统的棱柱体筒仓模型进行改进,进一步通过极限平衡法推导出砂卵石地层的掌子面极限支护力求解公式;最后通过离散元数值模拟验证所推公式,两者的误差为3.1%。结果表明所得公式可对砂卵石地层的掌子面极限支护力进行较为精确的求解。研究成果以期为砂卵石地层掌子面极限支护力计算理论提供依据。     

考虑渗透系数各向异性的盾构隧道开挖面稳定性数值极限分析

城市地铁隧道普遍采用盾构法施工,盾构掘进过程中密封舱支护力不足会引起开挖面的突然坍塌,造成重大人员伤亡和财产损失。隧道开挖会造成周围地层水力环境改变,引起地下水渗流,不仅在开挖面前方土体中产生渗透力,也使得围岩力学性质弱化,大大增加了盾构隧道开挖面失稳的风险。现有工作一般假定土体渗透系数为各向同性以简化计算,然而,土在沉积的过程中由于各种因素的影响会产生各向异性,即渗透特性与所选取的方向有关。基于极限分析理论,结合有限元四面体单元和半正定锥规划,建立三维数值极限分析方法。在此基础上,结合渗流分析,研究渗透系数各向异性条件下盾构隧道开挖面附近渗流场及开挖面极限支护力的变化规律,分析渗透系数比对开挖面破坏模式的影响,为盾构隧道安全施工提供重要的参考。     

超大直径盾构穿越江底冲槽浅覆土段施工技术研究

从盾构开挖面平衡状态及隧道水底抗浮平衡条件着手,利用了泥水平衡盾构开挖工作面水土压力与密封舱内压力动态平衡公式,得到了超大直径盾构穿越江底底冲槽段浅覆土保持开挖面稳定的技术对策。结合南京过江隧道纬七路左线工程,提出超浅覆土情况下过江隧道泥水盾构施工应采取的工程对策。     

软硬地层下双顶管掘进参数对管片及地层的影响性研究

软硬地层中双顶管掘进参数不当所导致的周围土体变形、姿态偏离、刀盘磨损等问题在实际工程中屡有发生。以南宁平花河顶管为工程背景,通过数值模拟研究软硬地层中不同掘进参数组合对周围地表沉降及管片应力的影响。得到结论如下：开挖面掘进压力对地表变形的影响呈现出非线性特征,地表沉降及其减小的速率随着掘进压力增大而减小;注浆压力与横向地表沉降之间呈现出线性递减的趋势,影响区域约为双隧道中心2倍隧道直径范围内;管片最大Mise应力与盾尾注浆压力、千斤顶推力均呈现线性递增的关系,当注浆压力、管片千斤顶推力分别增加10 kPa,每环管片的最大Mises应力相应分别增加64 kPa、17 kPa;开挖面掘进压力增大时,管片应力呈向着非线性递增的趋势,管片应力变化也相应减小,掘进压力从0kPa变化至20 kPa时的管片应力变化率为40~60 kPa的1/4~1/3